1、并行微通道內液液兩相流及介尺度效應微化工技術指的是在微米或毫米級尺寸的設備中完成化工過程或者化學反應的技術，是20世紀90年代興起的新領域。早在1986年，德國便已經申請了關于微反應裝置的原始專利，1989年德國卡爾斯魯厄科研中心研究出第一臺微型換熱器1，微化工技術在化學工程方面的潛力立刻引起了重視。近幾十年來，國內外均開展了微尺度下的流體混合、流體流動與動量傳遞、傳熱、傳質及反應等相關過程與技術的研究。自20世紀90年代至今，微化工技術歷經30年的發展，已經逐步建立了一定的基礎理論。同時，隨著3D打印等精密加工技術的快速發展，微通道芯片的加工精度也越來越高，加工尺寸越來越小，微化工技術的應用

2、也越來越廣泛。與傳統的大化工系統相比，微化工技術因其獨特的小特征尺寸，在進行化工過程及單元操作時，具有傳質傳熱能力強、制作簡單、成本低廉、可控性高以及本質安全等優越特性。基于上述優點，微化工技術在生物醫藥2-3、能源環境4-6、納米顆粒制備7-9等領域10-11具有越來越廣泛的應用。其中，微尺度下氣液12和液液13非均相分散體系的流體流動和傳遞過程是微化工系統的重要研究內容；而并行流常用于進行反應的微反應器工程和萃取分離過程，Pohar等14指出，兩相界面的位置是影響并行流狀態應用的重要參數，操作條件對其的影響是并行流研究的重點之一。微化工技術中常見的多相分散方法是使待分散的兩相流通過一定幾何

3、形狀的微通道進行接觸。在特定的作用力下，實現分散的目標。常見的微通道幾何形狀有T形、十字形、臺階形、聚焦流形和同軸并流形12,15。T形微通道因其結構簡單和易于加工等優點，在各種研究，尤其是氣液和液液非均相體系的分散過程中被廣泛使用。有關氣液、液液體系的微流動和微分散過程已有文獻報道15-21。Stone等22比較全面地綜述了較細小通道內的多相流動行為，Shui等20綜述了微米和納米級微通道內的多相流流動行為，Qiu等23揭示了微通道中影響均相自由基聚合反應數目放大的因素，證明了聚合過程規模化的可行性。Zhao等19則對于氣液和液液兩相流動的分散機制、作用力及流型等進行了綜述，Zhang等16

4、較為全面地分析了典型的模擬方法在微流體和微化工過程應用研究現狀，Zhang等16-18對于液液兩相的分散、傳質和反應，以及多相復雜流動微化工系統的構建等進行了綜述。目前，對于單條微通道中多相流的研究已較為成熟，比如氣液兩相流中氣泡生成動力學24和液液兩相流中液滴生成動力學25。van Steijn等26采用微粒子圖像測速儀對水平放置T形微通道內受限破碎的氣泡生成過程進行了研究，將分散過程分為兩個階段：生長階段和動態斷裂階段。分散相的斷裂是因為連續相擠壓相界面形成，此種破碎機理被稱為“擠壓破碎”（squeezing）。Garstecki等27的研究結果表明，擠壓破碎過程中，相界面的變化與兩相黏度

5、和界面張力無關，僅與兩相流量有關。Husny等28對T形微通道中的非受限破碎過程進行了研究，在非受限破碎過程中，微通道壁面對分散相造成的影響幾乎可以忽略，決定分散結果的是連續相對分散相的剪切作用和兩相的界面張力。結果表明，隨著連續相流速和黏度的增加，分散相的破碎時間隨之縮短，產生的氣泡/液滴尺寸也減小。Xu等29對氣液體系的非受限破碎過程進行了研究，確定了氣泡尺寸與連續相的黏度和流速的乘積為反比的關系。Cristini等30提出可以使用Capillary數來預測氣泡/液滴的尺寸。微化工技術的放大通常有兩種途徑。第一種放大途徑是“智能”尺寸放大，即增加內部通道的截面積的同時（通常至少保持一個維度

6、的特征尺寸符合微小通道的特征尺寸范圍），保持通道傳質和傳熱的特性強化。Kockmann等31通過改變微通道的形狀增大了通道直徑，證明了尺寸放大適用于單相過程。第二種放大途徑與傳統化工不同，基于微化工技術的化工生產過程是通過數目放大增加微通道的數量，而不是增大微通道的尺寸實現的，但微通道芯片中通道數目增多以后，多條通道間相互競爭與協調的介尺度效應決定了流體的分布效果，影響分散產品的均一性和穩定性。Zhao等32發現在并行通道前/后設置空腔可以有效提高多相流分布的均一性，同時大大減小微通道設備內部結構的復雜程度和壓力降。Tondeur等33指出在設計流量分配器時，除了要求流體流量分配更加均勻，還要

7、保證設備壓力降和設備體積達到最小。Commenge等34使用多重幾何形狀組合的微通道反應器進行研究，得到了微通道的結構對流體分配的影響。Chen等35通過對換熱器換熱管中物料分布的研究，證明了在特定的入口壓力和物料通量下，管路尺寸具有最佳值。Emerson等36將Murray定律進行了簡化，將其推廣到了任意截面形狀的微通道系統。Lee等37進一步研究，得到了微通道直徑與夾角的關系式。Kuijpers等7和Su等9研究了具有8條并行管路的光催化氣液微反應器的魯棒性，并通過在各并行管路上增加窄毛細管和背壓調節器以調節各支路的流阻，實現了小于10%不均勻性的放大生產。Park等38設計了一款可以使用

8、3D打印技術制造的流量分配器，并給出了設計手冊，為工業應用提供了便利。從以上研究中可以看出，人們對微化工生產放大研究的核心內容（并行微通道中流體分配的均勻性及穩定性）認知有限，亟需繼續推進相關工作。在進行數目放大時，并行管路的排布有對稱式分布和非對稱式分布兩種類型。分支管路采取對稱排布在阻力分布上會更加均勻，但同時也會使設備的體積增大，同時在高流量條件下產生較大的壓降。而非對稱式的并行通道排布可以大大減小設備體積，且設置空腔可以有效降低整個設備的壓降32。因此，了解不同操作條件下導致非對稱式微通道中流體分配不均的因素對于其放大具有重要意義。本文使用設有空腔的非對稱并行微通道，通過改變兩相流量及

9、黏度，探究了兩并行微通道中液液兩相流的流型及液滴生成規律。使用介尺度概念對后空腔中液滴群的行為以及后空腔對流量分配的反饋作用進行了分析。通過構建類比電阻的流體動力學模型，以得到不同操作條件下影響流量分配的主導因素。1 實驗材料和方法1.1 實驗裝置實驗裝置由流體輸送設備、微通道芯片和圖像采集設備三部分構成。實驗裝置及流程如圖1所示。連續相和分散相均由微量注射泵（Plunger pump, TBP-5002, China, 0.1 10-6 50 cm3min-1）通過聚乙烯膠管（= 1.02 mm）注入微通道。微通道內液滴生成及運動過程由顯微鏡頭（TAMRON AF90mm F/2.8 Di

10、SP, Japan）和高速攝像儀（Photonfoucs MV2-1280-640-CL-8, Switzerland）記錄，本實驗中拍攝幀率為600 幀/秒，圖像尺寸為1280 像素 320 像素，實驗在常溫常壓下進行，光源為冷光源。圖1圖1實驗裝置圖1，2注射泵；3高速攝像儀；4計算機；5微通道芯片；6光源；7收集瓶Fig.1Schematic diagram of experimental apparatus1.2 微通道構型及尺寸實驗使用的微通道芯片由兩塊聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）板組合而成，其中一塊板上使用精密銑刻技術刻出實驗使用的微通道結構，另一塊上留有流體的通過孔，板面進行拋光

11、處理。兩塊板的材質和大小均相同，通過螺栓進行組合密封。微通道結構如圖2所示。在連續相的進出口位置設有矩形空腔結構，空腔尺寸為9 mm 4 mm 0.4 mm（長寬深）。進行實驗時，分散相在a口注入微通道芯片后通過對稱的分支通道進行分配，連續相在b口注入，通過矩形空腔后分配至并行微通道，兩相在T形口接觸、完成分散后進入矩形空腔，后經c口排出。微通道芯片中所有流體通道的截面均為正方形，截面尺寸為0.4 mm 0.4 mm。并行微通道之間的間距為4 mm，定義靠近b口側的通道為通道1，遠離b口側的通道為通道2。微通道其他部分的具體尺寸見圖2。圖2圖2微通道結構Fig.2Microchannel de

12、vice1.3 實驗材料實驗采用的分散相為不同配比的甘油-水溶液，連續相為不同黏度的硅油(MACKLIN)，并在其中加入5%（質量分數）的道康寧作為表面活性劑，增加連續相與通道間潤濕性的同時，可以有效減少液滴間的聚并。上述所用溶液，其密度使用密度計（Anton Paar MA-4500-M, Austria）進行測量，黏度使用烏氏毛細管黏度計（iVisc, LAUDA, Germany）進行測量，不同連續相與分散相組合的界面張力使用界面張力儀（SL200KB, Optical Contact AngleInterface Tension Meter, USA）測量獲得，測量方法采用懸滴法，計算

13、式為Young-Laplace方程。各溶液的物性數據如表1所示。表1實驗中使用流體的物性數據Table 1Physical properties of various fluids used in the experiment溶液類型/(kgm-3)/(mPas)/(mNm-1)道康寧-10 mPas硅油947.4210.165.81道康寧-50 mPas硅油971.5454.704.81道康寧-100 mPas硅油977.6598.903.59去離子水998.250.955.8130%甘油-水溶液1072.392.067.9960%甘油-水溶液1160.387.8612.75 去離子水與相應

14、連續相的界面張力。 10 mPas硅油與相應分散相的界面張力。新窗口打開|下載CSV2 實驗結果與討論2.1 下游通道中的流型、流型圖及流型的轉變實驗過程中，在并行微通道內觀察到以下4種流型，分別為：塞狀流、液滴流、環狀流、并行流，如圖3所示。圖3圖3微通道內液液兩相流流型（連續相黏度54.70 mPas；分散相黏度0.95 mPas）Fig.3Liquid-liquid two-phase flow patterns in a microchannel在連續相黏度為54.70 mPas，分散相黏度為0.95 mPas的實驗條件下。當分散相流量Qd= 100 lmin-1、連續相流量Qc= 1

15、00 lmin-1時，微通道內的流型為塞狀流，且液柱兩端呈現較為對稱的形態，如圖3(a)所示；增大連續相流量，液柱長度縮短，當Qc= 600 lmin-1時，微通道內的流型仍然為塞狀流，但由于連續相流量較大，液柱在通道內的移動速度較大，因連續相的推動擠壓作用，液柱呈現前端較窄，后端較寬的瓶塞狀形態，如圖3(b)所示。塞狀流的特征為液柱長度L大于微通道特征尺寸w，呈柱塞狀，液柱在微通道中受到的壁面的限制作用不可忽略。此種流型下，分散相的破碎機理為“擠壓破碎”26。本文以液柱長度L與微通道寬度w的比值L/w= 1.1為分界線，將塞狀流劃分為長液柱和短液柱兩種流型。增大連續相流量，當Qc= 2000

16、 lmin-1時，液滴尺寸小于通道寬度即L/w 1，微通道內的流型轉變為液滴流，如圖3(c)所示。液滴流的特征為液滴尺寸小于微通道的特征尺寸，液滴不與微通道壁面接觸，呈現較規則的球形。此種流型下，分散相的破碎由“剪切機理”(shearing mechanism)28控制。當連續相流量很大而分散相流量很小時，支路中的分散相液體的壓力無法突破連續相流體的靜壓力，則會出現只有一條通道中生成液滴而另一條通道充滿連續相液體的過濾流流型，如圖4(a)中流型轉變線1左上角區域。此狀態下流量分配極度不均，在生產時應盡量避免。增大分散相流量，液柱長度增大，液柱之間的液彈長度逐漸減小。當Qd= 2000 lmin

17、-1、Qc= 1000 lmin-1時，微通道內的流型轉變為環狀流，如圖3(d)所示。當連續相流量與分散相流量均較大時，分散相在T形口處不再發生破裂，比如當Qd= 2000 lmin-1、Qc= 2000 lmin-1時，微通道內的流型為并行流，如圖3(e)所示。環狀流的特征為分散相在微通道的中心流動，并行流的特征為分散相在微通道的一側流動，其分散相均不發生破裂。這兩種流型都是在分散相黏度或流速較大的條件下產生的，如果連續相流量較大、分散相從微通道一側進料或者微通道對兩相的潤濕性較接近時18，則更容易產生并行流。圖4圖4微通道中液液兩相流流型及流型轉變線Fig.4Flow patterns d

18、iagram and the transition lines for liquid-liquid two-phase flow in microchannels對于并行微通道，兩相流體進入微通道后，首先通過分支管路/前空腔進行分配，分配后的連續相和分散相分別接觸后形成液液兩相流，由下游通道進入后空腔，形成兩股獨立但又相互影響的微流體流動路線。由于并行微通道間的相互作用以及后空腔中液滴群的影響，連續相和分散相流量的分配受到一定影響，并行通道中會產生較為豐富的流型現象。對連續相黏度為54.70 mPas，分散相黏度為0.95 mPas實驗條件下，不同兩相流量下并行微通道內的流型進行了統計、分類，

19、繪制出了相應的流型圖，并繪制了相應的流型轉變線，如圖4所示。其中，實心標記和空心標記為穩定流型，半實心標記為不穩定的過渡流型。增大連續相流量，微通道中液液兩相流流型由塞狀流轉變為液滴流。增大分散相流量，微通道中流型由塞狀流轉變為環狀流，最終轉變為并行流。對比兩通道中的流型及流型轉變線，可以看出：在縱向上兩通道的流型基本保持一致，而在橫向上，隨著分散相流量的增大，通道2的流型轉變更加迅速。即相較于連續相，增大分散相的流量對兩通道的流量分配的影響更大。改變連續相硅油溶液的黏度，不同條件下兩并行微通道內塞狀流與液滴流的流型轉變線如圖5所示。各條流型轉變線左上方流型為液滴流，右下方為塞狀流。從圖中可以

20、看出，隨著連續相黏度的增大，兩并行微通道中的塞狀流與液滴流的流型轉變線逐漸向下移動，即向著連續相流量減小的方向移動。隨著連續相黏度的增大，在T形口處連續相對分散相的剪切力增大，分散相的破裂速度更快，微通道中生成的液滴尺寸也就越小。因此，連續相黏度越大，流型由塞狀流轉變為液滴流時的連續相流量就越小。且隨著連續相黏度的增大，并行通道的流型轉變線更加接近，即兩通道中的流量分配更加均一。圖5圖5微通道中的流型及流型轉變線（實心標記表示通道1；空心標記表示通道2）Fig.5Flow patterns transition lines in microchannels corresponding to d

21、ifferent viscosity of continuous phase2.2 液滴生成頻率及流量分配為了比較不同操作條件對微通道生產能力的影響，對不同操作條件下并行微通道中液滴產生的頻率f進行了統計，結果如圖6所示。從圖中可以看出，并行微通道中，液滴的產生頻率隨兩相流量和兩相黏度的增大均增大，并且液滴產生頻率隨連續相和分散相的流量的變化均呈現線性關系。因此，可以根據兩通道中液滴產生速度的差異來比較連續相和分散相在兩通道中的流量分配情況，從而避免了統計液滴體積的煩瑣操作。圖6圖6不同操作條件下微通道中的液滴生成頻率（實心標記為通道1；空心標記為通道2）Fig.6The frequency

22、of droplet production in microchannels corresponding to different operating conditions為了研究不同操作條件對兩微通道流量分配的影響，使用式（1）對并行微通道的生產速度的差距進行量化。E(f)=f1-f2f1+f2100%(1)式中，f為液滴生成頻率；下角標1、 2分別表示微通道1、微通道2。流量分配的差異E(f)隨兩相流量比Qc/Qd的變化規律如圖7所示。隨著Qc/Qd的增大，兩通道中流量分配的差異性呈現先減小然后增大的趨勢，并在Qc/Qd= 23左右時，兩通道的差距達到最小。圖7圖7不同操作條件下流量分配的

23、均一性Fig.7Flow distribution in microchannels corresponding to different operating conditions為了研究導致這種分配差異的原因，可以把電路電阻與流體阻力進行類比，對微通道進行阻力分析。將流體流量類比為電流，壓降類比為電壓，流體動力學阻力類比為電阻，可以建立阻力模型，如圖8所示。圖8圖8含空腔的并行微通道阻力模型圖Fig.8Resistance model diagram of parallel microchannels with cavities由于連續相流體在進行分配前首先進入前空腔，前空腔的截面積比并行通

24、道大得多，根據Cornish等39提出的矩形通道內單相流壓降計算式式（2），其內阻力相對很小，以至于可以忽略。前空腔的非對稱結構對于流體分配不會造成影響，并行通道的阻力可視為相同。連續相和分散相流體在兩通道上的流量分配主要由下游通道的流體阻力Rt1與Rt2分別和后空腔的反饋作用Ro構成的阻力系統決定。在不同操作條件下，占據主導作用的影響因素也不同。P=4LQH3W13-64H5WtanhW2H-1(2)對于下游通道，由于微通道中液滴的存在會產生額外的阻力，因此，下游微通道中的阻力無法直接使用單相流阻力計算方法獲得。Fu等40通過研究，總結出了方形截面通道中兩相流的阻力計算式式（3）：Rt=28

25、.36(lc-nbL+nb0.53Ca-1/3W)W4Ca10-228.36(lc-nbL+nb0.53Ca-1/3W-nb0.64Ca-0.05W)/W410-2Ca10-1(3)式中，lc為下游微通道長度；nb為通道中的氣泡數；L為氣泡長度；W為通道寬度；Ca為毛細管數，表示流體的黏性力與界面張力之比，且Ca=cuc/uc=Qc/ (2W2)。為了研究不同操作條件對兩微通道流體阻力差異的影響，使用式（4）對并行微通道的流體阻力的差距進行量化。E(Rt)=Rt1-Rt2Rt1+Rt2100%(4)式中，Rt為式（3）計算得到的流體阻力；下角標1、2分別表示微通道1、微通道2。流量分配的差異E

26、(Rt)隨兩相流量比Qc/Qd的變化規律如圖9所示。從圖中可以看出，隨著Qc/Qd的增大，兩通道流體阻力的差異性逐漸減小。而根據對圖7的分析已知，流量分配的差異性先減小后增大，說明除下游通道的流體阻力外，后空腔也會對流量分配造成一定影響。Mi等41對氣液兩相流系統的研究也表明，后空腔中氣泡與氣泡群的行為會對液滴的生成和流量的分配產生反饋作用。圖9圖9不同操作條件下流體阻力的差異性Fig.9The difference of resistance corresponding to different operating conditions2.3 后空腔的介尺度結構及流量分配的影響因素后空腔由來

27、自下游通道的分散相液滴群和連續相液體共同構成，屬于由許多單元構成的多尺度復雜系統，這些單元的群體行為導致了后空腔呈現出介尺度結構42，其邊界尺度分別是液滴和空腔。各尺度下的單元結構分別為單獨的液滴、液滴群和空腔整體。為了探究操作條件對后空腔內液滴群的介尺度行為的影響，對不同操作條件下微通道芯片后空腔中的液液兩相流流型進行了研究。研究發現，后空腔內液滴群的流型與兩相流量比Qc/Qd有極大的相關性，根據空腔中兩相的比例以及分散相的形態和行為，可以將后空腔流型劃分為以下4種，如圖10所示。圖10圖10不同操作條件下后空腔中的液滴群流型（c=54.70 mPas,d=0.95 mPas）Fig.10D

28、roplet flow patterns in the cavity corresponding to different operating conditions當Qc/Qd值較小時，并行微通道中的流型為塞狀流，且L/w較大，液柱進入空腔后無法被及時排出，液滴群在空腔內相互擠壓，部分發生二次破裂。液滴呈現不規則的餅狀，此時后空腔內幾乎充滿分散相，如圖10(a)所示。液滴群體現為協調效應，可以將后空腔視為整體進行分析。當Qc/Qd值較大時，后空腔內液滴群呈現規則的球狀，空腔內的連續相含量明顯增大，分散相液滴之間的相互作用大大減小。液滴按照一定的軌跡在后空腔中流動，最后離開微通道系統，如圖10(

29、b)所示。可以將后空腔視為下游通道的延伸，液滴在后空腔中按照一定的路徑穩定排出，兩通道各自產生的液滴不發生接觸，路徑上的壓降與液滴個數相關。液滴之間體現為競爭效應，可將每個液滴作為單獨的系統進行處理。當連續相流量和分散相流量接近時，后空腔內的液滴之間相互接觸，但基本上沒有相互擠壓，液滴呈現較規則的圓餅狀，如圖10(c)所示。此時后空腔的狀態介于以上兩種流型之間，兩種狀態在競爭中協調，構成了后空腔特殊的介尺度非均勻結構。隨著操作條件的改變，兩種狀態的競爭優勢也隨之改變。當分散相流量很大，兩相在T形口處不發生破裂，分散相與連續相并行進入空腔，并行通道中的分散相流體各自按照一定的路徑流動并離開空腔，

30、二者無接觸，不發生相互作用，如圖10(d)所示，此狀態下不發生乳化。根據2.2節阻力模型的分析，導致并行通道間流體分配不均的因素主要由下游通道與后空腔兩部分構成。將不同操作條件下并行通道的阻力差異與流量分配差異進行對比，如圖11所示。可以看出，操作條件對于并行通道間流體分配的影響可以分為三個區域，不同區域后空腔內液滴群的主要狀態如圖11所示。圖11圖11不同操作條件下E(Rt)、E(f)及后空腔流型圖Fig.11E(Rt),E(f) and droplet flow patterns in the cavity在區域，后空腔可視作壓力均一的整體，下游通道流體阻力的差異E(Rt)與流體分配的差異E(f)接近，說明下游通道的流體阻力差異是流體分配主導因素。在區域，下游通道流體阻力接近，但流量分配均一性仍較差，說明流量分配的差異性主要由后空腔引起。此條件下，來自并行通道的多相流流體在進入后空腔后分別以各自的路徑流動，由于出口位置設置在空腔一側，因此兩路徑的長度不同，兩股流體的流阻也不同，從而導致流體分配的差異。流體阻力與流速正相關，隨著流速的增大，因路徑長度不同導致的分配差異也被放大。在區域，兩個因素共同作用，導致了兩通道間流量分配的差異。圖中曲線E(f